Influência da turbulência do sistema de alimentação na formação de drosses e na falha de componente estrutural em ferro fundido nodular

Abstract

Este trabalho investiga a formação de defeitos do tipo drosses em ferro fundido nodular e sua influência no desempenho mecânico e na confiabilidade estrutural de componentes submetidos a solicitações em serviço. O estudo foi conduzido a partir da análise de falha de um componente crítico, integrando caracterização microestrutural, ensaios mecânicos e simulações computacionais de preenchimento e solidificação. A análise microestrutural evidenciou a presença de inclusões não metálicas associadas a filmes de óxidos, caracterizando drosses, que atuam como concentradores de tensão e potenciais iniciadores de trincas. Os resultados mecânicos demonstraram degradação localizada das propriedades, compatível com a presença desses defeitos. A partir da simulação numérica do sistema de alimentação original, verificouse que o enchimento ocorria sob condições de elevada turbulência, com velocidades superiores aos limites recomendados, favorecendo a reoxidação do metal e a incorporação de inclusões. Com base nesses resultados, foi desenvolvido um novo sistema de alimentação, com enchimento (ou alimentação) por baixo e na posição vertical, visando à redução da turbulência e ao controle hidrodinâmico do fluxo. As simulações numéricas do novo sistema demonstraram melhora significativa nas condições de enchimento, com redução da turbulência e manutenção adequada da temperatura do metal. A validação experimental confirmou a eficácia das modificações, evidenciando microestrutura isenta de drosses e propriedades mecânicas em conformidade com os requisitos normativos. Adicionalmente, foi realizada a avaliação sistemática das variáveis metalúrgicas clássicas, como temperatura, carga metálica, carbono equivalente, enxofre e tratamento de nodularização e inoculação, demonstrando que, nas condições estudadas, tais variáveis não foram determinantes para a formação do defeito, sendo a hidrodinâmica do processo o fator predominante. Conclui-se que o controle do regime de escoamento do metal durante o vazamento é determinante para a prevenção de drosses, influenciando diretamente a microestrutura, o desempenho mecânico e a resistência à fadiga de componentes em ferro fundido nodular

This study investigates the formation of dross defects in ductile iron and their influence on the mechanical performance and structural reliability of components subjected to service conditions. The research was conducted based on the failure analysis of a critical component, integrating microstructural characterization, mechanical testing, and computational simulations of mold filling and solidification. Microstructural analysis revealed the presence of nonmetallic inclusions associated with oxide films, characterizing dross defects that act as stress concentrators and potential crack initiation sites. Mechanical results showed localized degradation of properties, consistent with the presence of such defects. Simulation of the original gating system indicated turbulent filling conditions, with flow velocities exceeding recommended limits, promoting metal reoxidation and inclusion entrainment. Based on these findings, a redesigned feeding system was developed, adopting bottom filling and vertical pouring to reduce turbulence and improve flow control. Simulations of the modified system demonstrated significant improvement in filling conditions, including reduced turbulence and adequate thermal behavior. Experimental validation confirmed the effectiveness of the proposed changes, showing a dross-free microstructure and mechanical properties meeting the specified requirements. Additionally, classical metallurgical variables—such as pouring temperature, metallic charge, carbon equivalent, sulfur content, and nodularization/inoculation treatment—were systematically evaluated. The results indicated that, under the studied conditions, these variables were not the primary cause of defect formation, highlighting the dominant role of flow hydrodynamics. It is concluded that controlling the hydrodynamic behavior during mold filling is essential for preventing dross formation, directly influencing microstructure, mechanical performance, and fatigue resistance of ductile iron components.